CN115450820A - 一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于海上风电技术领域，提出一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置及方法，包括多个水平轴水轮机，设置在待防护桩基础的迎流侧；所述水平轴水轮机包括吸力筒基础、与所述吸力筒基础连接的塔架、垂直连接在所述塔架一端的水平舱以及连接在所述水平舱上的多个叶轮；本发明中将多个水平轴水轮机设置在待防护桩基础的迎流侧，水流经过水平轴水轮机的叶轮时，在水平轴水轮机的背流侧产生尾流效应，减小了桩基础前方的水流速度，可以实现降低水流对桩基础周围的冲刷；实现了主动消能和主动防冲刷的目的，更加有效可靠的对桩基础周围海床进行了保护。

Description

一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置及方法
技术领域
本发明属于海上风电技术领域，尤其涉及一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置及方法。
背景技术
海上风电开发和建设逐渐走向开放、深远海域，其桩基础的直径随着离岸距离的增加也逐渐增大，随之面临的桩基础周围海床冲刷问题更加不可忽视，否则会严重影响海上风机的安全和稳定运行。在近海海域，海上风电桩基础应用主要单桩基础、三脚架基础、多腿导管架和高桩承台基础等，其中单桩基础应用最多。海流作用在桩基础上时，其迎流侧形成下潜水流与近床面来流相互作用，在桩基础周围形成了马蹄形旋涡系，同时在背流侧形成漩涡脱落，两种涡作用在海床表面掀起泥沙，被近床面来流带走导致桩基础周围发生冲刷现象，对于单桩基础而言，超出设计许可的冲刷会引起风机支撑结构频率改变和基础承载力不足等问题，严重影响风机的安全和稳定运行，造成重大的经济损失。
发明人发现，目前，现行工程上最为常见的桩基冲刷解决措施主要包括预留冲刷深度、抛石防护、砂被防护、固化土防护和仿生水草等。这些防护措施多数采用的是压盖护底的思路，被动地接受桩基础周围流场的硬冲刷，持续承受高速度的来流影响，属于硬扛式保护，在风机基础长达25年的运行期内，当保护措施出现薄弱点时，容易造成冲刷保护层的局部或整体失效，因此防冲刷保护层需要定期监测和维护，成本巨大。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置及方法，通过采用叶轮组成水平轴水轮机，将简易化的水平轴水轮机安置在桩基础主要迎流侧的前方合理位置，利用水平轴水轮机背流侧所产生的尾流效应，降低桩基础主要迎流侧的来流速度，主动消能，辅以桩基础周围的其它防冲刷优化措施，可更加有效可靠的对桩基础周围海床进行保护，防止冲刷。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，采用如下技术方案：
一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，包括多个水平轴水轮机，设置在待防护桩基础的迎流侧；
所述水平轴水轮机包括吸力筒基础、与所述吸力筒基础连接的塔架、垂直连接在所述塔架一端的水平舱以及连接在所述水平舱上的多个叶轮。
进一步的，多个水平轴水轮机在待防护桩基础的迎流侧呈弧形均匀分布。
进一步的，所述叶轮的叶尖最底部距离海床泥面表面的距离大于1～2倍叶轮的直径。
进一步的，所述水平舱内设置有制动机构、与所述制动机构连接的动轴以及与所述动轴连接的联动杆；所述联动杆上固定有轮毂，所述轮毂上固定有多个叶轮。
进一步的，所述制动机构包括与所述动轴连接的制动圆盘，所述制动圆盘两侧设有摩擦块，所述摩擦块与液压单元连接，所述液压单元连接有控制器。
进一步的，所述吸力筒基础安装于海床底部。
进一步的，待防护桩基础周围设置有防冲刷层。
为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，采用如下技术方案：
一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，采用了如第一方面中所述的考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，包括：水流经过水平轴水轮机的叶轮，在水平轴水轮机的背流侧产生尾流效应，减小桩基础前方的水流速度，实现降低水流对桩基础周围的冲刷。
进一步的，通过控制器控制液压单元，液压单元作用在摩擦块上，使得摩擦块压紧或远离制动圆盘来实现动轴的转动和停止，实现叶轮旋转和制动的控制。
进一步的，确定在单桩基础迎流侧安装位置，控制器控制液压单元从而使得摩擦块抱死制动圆盘，实现动轴制动，此时叶轮处于制动状态；依次将多个水平轴水轮机下放到相应安装位置，且水平轴水轮机垂直海床泥面，吸力筒基础安装在海床泥面以下；多个水平轴水轮机安装完毕，再通过控制器解除摩擦块对制动圆盘的抱死，使得叶轮启动运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明中将多个水平轴水轮机设置在待防护桩基础的迎流侧，水流经过水平轴水轮机的叶轮时，在水平轴水轮机的背流侧产生尾流效应，减小了桩基础前方的水流速度，可以实现降低水流对桩基础周围的冲刷；实现了主动消能和主动防冲刷的目的，更加有效可靠的对桩基础周围海床进行了保护。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的防冲刷装置的斜视结构立体示意图；
图2为本发明实施例1的防冲刷装置的局部放大示意图；
图3为本发明实施例1的防冲刷装置的制动机构示意图；
图4为本发明实施例1的防冲刷装置的侧视结构示意图；
图5为本发明实施例1的防冲刷装置的俯视布置示意图；
其中，1、单桩；2、防冲刷层；3、水平轴水轮机；31、叶轮；32、动轴；33、水平舱；34、电池组；35、控制器；36、制动圆盘；3601、液压单元；3602、摩擦块；37、塔架、38、吸力筒基础；39、轮毂；310、联动杆；4、海床泥面。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
本实施例提供了一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，包括多个水平轴水轮机3，设置在待防护桩基础的迎流侧；所述桩基础为单桩1，所述水平轴水轮机3包括叶轮31、动轴32、水平舱33、电池组34、控制器35、制动圆盘36、液压单元3601、摩擦块3602、塔架37、吸力筒基础38、轮毂39和联动杆310，所述制动圆盘36、所述液压单元3601、所述摩擦块3602和所述控制器35构成制动机构；
具体的，所述叶轮31与所述轮毂39相连接，所述水平舱33内部为空腔结构，所述水平舱33内设有联动杆310、动轴32以及制动机构，所述轮毂39与所述联动杆310相连接，所述联动杆310与所述动轴32固定连接，所述制动机构还包括电池组34，所述制动圆盘36与所述动轴32相连，所述制动圆盘36两侧均设有一个摩擦块3602，所述液压单元3601与所述摩擦块3602相连，所述液压单元3601可以固定在所述水平舱33内的底部，所述电池组34与所述控制器35集成安装于所述水平舱33内部，所述控制器35与所述液压单元3601相连接。可以理解的，在所述液压单元3601不作用时，所述摩擦块3602与所述制动圆盘36具有一定间隙，所述制动圆盘和所述动轴32可转动；当所述液压单元3601作用时，可以将所述摩擦块3602压紧在所述制动圆盘36表面，抱死所述制动圆盘36，所述制动圆盘和所述动轴32不可转动。
所述塔架37与所述水平舱33固定连接，所述塔架37横截面为圆柱形式，所述塔架37与所述吸力筒基础38固定连接，所述吸力筒基础38安装于海床底部。所述吸力筒基础38为顶端封闭，下端敞开的薄壁钢制结构，具体工作原理为负压原理，即首先通过施工船舶的吊机吊放防冲刷装置至相应海床泥面处，利用自重使其吸力筒基础的筒壁下端边缘缓慢下沉到泥土中，当筒内形成密封状态，依靠潜水泵设备将筒内的水向外抽出，此时在筒内外的压差不断增加，超过海底泥土对吸力筒基础的阻力，吸力筒基础随之不断被压入土中，直至吸力筒基础顶端与海床泥面接触时终止抽水等工作，完成安装固定。
本实施例中，将多个水平轴水轮机3设置在待防护桩基础的迎流侧，水流经过水平轴水轮机3的叶轮31时，在水平轴水轮机3的背流侧产生尾流效应，减小了桩基础前方的水流速度，可以实现降低水流对桩基础周围的冲刷；实现了主动消能和主动防冲刷的目的，更加有效可靠的对桩基础周围海床进行了保护。经过水平轴水轮机的消能后，单桩基础迎流侧的海流速度降低，辅以单桩基础周围设置其它优化形式的防冲刷层，更加高效和可靠的防止单桩基础周围海床的冲刷。
本实施例中，多个水平轴水轮机在待防护桩基础的迎流侧呈弧形均匀分布，具体的，多个水平轴水轮机之间等间距布置，多个水平轴水轮机所在的弧形弦长距离大于桩基础的直径。所述叶轮31的数量可以设置3个，均为翼型叶片；所述动轴32的首端与所述联动杆310相连接，末端与所述制动圆盘36相连接。
联动杆310可以设置3个，等角度周向与所述轮毂39连接，为扁平曲形板材；所述联动杆310与所述动轴32的首端连接，所述动轴32横截面为圆形，所述动轴32的末端与制动机构的制动圆盘36连接，所述制动圆盘36由所述控制器35来驱动所述液压单元3601作用于所述摩擦块3602，所述摩擦块3602为所述制动圆盘36施加摩擦力矩，从而使得所述制动圆盘36实现制动所述动轴32的转动和停止，进而控制叶轮31的旋转和制动，制动机构的所述电池组34和所述控制器35集成在一个密封容器，为液压单元3601的工作供能，所述液压单元3601的设置为常规设置，在此不再详述，所述塔架37和所述水平舱33的连接处可以进行高强度焊接，提高整体稳定性，保证所述叶轮31的正常运行。所述制动圆盘36实现所述动轴32转动和停止的过程为：所述制动圆盘36与所述动轴32末端固定连接，随所述动轴32转动；所述制动圆盘36两侧设有所述摩擦块3602，通过所述液压单元3601所提供的液压作用，推动两个摩擦块压向所述制动圆盘36发生摩擦，产生制动摩擦力矩，进而实现所述制动圆盘36的停止，从而使得所述动轴32制动。
所述叶轮31的叶尖最底部距离海床泥面4的距离大于1～2倍叶轮的直径；防止所述叶轮31在垂向产生的湍流动能对吸力筒基础周围产生冲刷影响。
所述电池组34和所述控制器35可以集成安装在密封容器内，固定在所述水平舱33内部的底部。
通过将水平轴水轮机布放在桩基础主要迎流侧的前方合适位置，基于水平轴水轮机背流侧所产生的尾流效应，减小桩基础前方的来流速度，降低桩基础周围冲刷的影响，同时，在桩基础周围设置其它优化的防冲刷措施，在待防护桩基础周围设置防冲刷层，更加高效和可靠的防止桩基础周围海床冲刷。利用水平轴水轮机所产生的尾流效应，通过在单桩基础主要迎流侧的前方合理布防若干个水平轴水轮机，最大程度上减小来流速度，甚至达到保护海床免于冲刷。
本实施例的工作原理或过程为：
首先进行若干个水平轴水轮机的布防和安装，其次开展单桩基础周围防冲刷层的设置。实施过程为：水平轴水轮机整体尺寸规模较小，可以一体化运输和安装，在施工船舶到达指定海面位置时，即单桩基础的主要迎流侧的前方合适位置，通过制动机构的液压单元使得摩擦块抱死制动圆盘，进而使得动轴制动，让叶轮处于制动状态；然后依次下放到相应垂直的海床泥面位置，利用吸力筒基础的自沉和负压安装固定，吸力筒基础安装在海床泥面以下，若干个水平轴水轮机固定安装完毕后，再通过控制器解除摩擦块对制动圆盘的抱死状态，使得叶轮启动运行；最后，单桩基础主要来流速度已经较高程度减小，此时在单桩基础周围进行防冲刷层的施工。利用水平轴水轮机的尾流效应加以桩基础周围的防冲刷层优化设置，使得桩基础周围海床的防冲刷能力显著提高，增加了防冲刷的可靠性。
实施例2：
本实施例提供了一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，采用了如实施例1中所述的考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，包括：水流经过水平轴水轮机的叶轮，在水平轴水轮机的背流侧产生尾流效应，减小桩基础前方的水流速度，实现降低水流对桩基础周围的冲刷。
通过控制器控制液压单元，液压单元作用在摩擦块上，使得摩擦块压紧或远离制动圆盘来实现动轴的转动和停止，实现叶轮旋转和制动的控制。
确定在单桩基础迎流侧安装位置，控制器控制液压单元从而使得摩擦块抱死制动圆盘，实现动轴制动，此时叶轮处于制动状态；依次将多个水平轴水轮机下放到相应安装位置，且水平轴水轮机垂直海床泥面，吸力筒基础安装在海床泥面以下；多个水平轴水轮机安装完毕，再通过控制器解除摩擦块对制动圆盘的抱死，使得叶轮启动运行。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，包括多个水平轴水轮机，设置在待防护桩基础的迎流侧；
所述水平轴水轮机包括吸力筒基础、与所述吸力筒基础连接的塔架、垂直连接在所述塔架一端的水平舱以及连接在所述水平舱上的多个叶轮。
2.如权利要求1所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，多个水平轴水轮机在待防护桩基础的迎流侧呈弧形均匀分布。
3.如权利要求1所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，所述叶轮的叶尖最底部距离海床泥面表面的距离大于1～2倍叶轮的直径。
4.如权利要求1所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，所述水平舱内设置有制动机构、与所述制动机构连接的动轴以及与所述动轴连接的联动杆；所述联动杆上固定有轮毂，所述轮毂上固定有多个叶轮。
5.如权利要求4所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，所述制动机构包括与所述动轴连接的制动圆盘，所述制动圆盘两侧设有摩擦块，所述摩擦块与液压单元连接，所述液压单元连接有控制器。
6.如权利要求1所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，所述吸力筒基础安装于海床底部。
7.如权利要求1所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，其特征在于，待防护桩基础周围设置有防冲刷层。
8.一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，其特征在于，采用了如权利要求1-7任一项所述的考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷装置，包括：水流经过水平轴水轮机的叶轮，在水平轴水轮机的背流侧产生尾流效应，减小桩基础前方的水流速度，实现降低水流对桩基础周围的冲刷。
9.如权利要求8所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，其特征在于，通过控制器控制液压单元，液压单元作用在摩擦块上，使得摩擦块压紧或远离制动圆盘来实现动轴的转动和停止，实现叶轮旋转和制动的控制。
10.如权利要求9所述的一种考虑尾流效应的海上风电桩基础防冲刷方法，其特征在于，确定在单桩基础迎流侧安装位置，控制器控制液压单元从而使得摩擦块抱死制动圆盘，实现动轴制动，此时叶轮处于制动状态；依次将多个水平轴水轮机下放到相应安装位置，且水平轴水轮机垂直海床泥面，吸力筒基础安装在海床泥面以下；多个水平轴水轮机安装完毕，再通过控制器解除摩擦块对制动圆盘的抱死，使得叶轮启动运行。
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